特許第6772679号(P6772679)IP Force 特許公報掲載プロジェクト 2022.1.31 β版

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(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】特許公報(B2)
(11)【特許番号】6772679
(24)【登録日】2020年10月5日
(45)【発行日】2020年10月21日
(54)【発明の名称】疲労試験装置及び疲労試験方法
(51)【国際特許分類】
   G01N 3/34 20060101AFI20201012BHJP
【FI】
   G01N3/34 A
【請求項の数】5
【全頁数】13
(21)【出願番号】特願2016-170827(P2016-170827)
(22)【出願日】2016年9月1日
(65)【公開番号】特開2018-36191(P2018-36191A)
(43)【公開日】2018年3月8日
【審査請求日】2019年4月15日
(73)【特許権者】
【識別番号】000006655
【氏名又は名称】日本製鉄株式会社
(74)【代理人】
【識別番号】100104444
【弁理士】
【氏名又は名称】上羽 秀敏
(74)【代理人】
【識別番号】100174285
【弁理士】
【氏名又は名称】小宮山 聰
(74)【代理人】
【識別番号】100125704
【弁理士】
【氏名又は名称】坂根 剛
(72)【発明者】
【氏名】早川 守
(72)【発明者】
【氏名】野口 泰隆
(72)【発明者】
【氏名】東城 裕樹
(72)【発明者】
【氏名】佐谷 大輔
(72)【発明者】
【氏名】山田 浩
(72)【発明者】
【氏名】竹内 恭平
(72)【発明者】
【氏名】鎌田 康義
(72)【発明者】
【氏名】藤川 拓海
(72)【発明者】
【氏名】首藤 洋志
【審査官】 萩田 裕介
(56)【参考文献】
【文献】 特開平08−152390(JP,A)
【文献】 韓国公開特許第10−2015−0030282(KR,A)
【文献】 実開昭60−070054(JP,U)
【文献】 特開昭51−051386(JP,A)
【文献】 米国特許出願公開第2015/0338325(US,A1)
(58)【調査した分野】(Int.Cl.,DB名)
G01N 3/00 − 3/62
(57)【特許請求の範囲】
【請求項1】
試験片の疲労特性を測定する疲労試験装置であって、
軸方向に沿って移動するピストンロッドを含むシリンダと、
前記ピストンロッドの端部に固定され、前記試験片を把持する第1のチャックと、
支柱と、
前記支柱に固定されたクロスヘッドと、
前記クロスヘッドに固定され、前記試験片を把持する第2のチャックと、
前記ピストンロッドの軸方向と平行に延びるガイド軸と、
前記ガイド軸と摺動する軸受けと、
前記ピストンロッド及び前記第1のチャックの少なくとも一方、並びに前記軸受けに固定された連結部材とを備える、疲労試験装置。
【請求項2】
請求項1に記載の疲労試験装置であって、
固体潤滑材から形成され、前記試験片を挟む一対の板状スペーサと、
前記一対の板状スペーサによって挟まれた前記試験片を挟む一対の板状部材とをさらに備える、疲労試験装置。
【請求項3】
請求項2に記載の疲労試験装置であって、
前記一対の板状部材が前記一対の板状スペーサによって挟まれた前記試験片を挟む面圧が10〜25MPaである、疲労試験装置。
【請求項4】
請求項1〜3のいずれか一項に記載の疲労試験装置を用いて前記試験片の疲労特性を測定する、疲労試験方法。
【請求項5】
請求項4に記載の疲労試験方法であって、
前記試験片は、厚さが3mm以下の板状試験片であって、厚さに対する幅の比率が3以上である、疲労試験方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、疲労試験装置及び疲労試験方法に関し、より詳しくは、特に薄板試験片の軸力疲労特性を測定することができる疲労試験装置及び疲労試験方法に関する。
【背景技術】
【0002】
構造部材として使用される鋼材料に必要とされる特性として、疲労強度がある。構造材料の中でも、特に自動車足回り部材で使用されるホイールは、薄板鋼板から制作され、タイヤの回転時に両振り繰返し負荷を受ける。このため、ホイールに用いられる薄板鋼板には完全両振りの軸力疲労特性が要求される。しかし、薄板鋼板の軸力疲労試験は試験片のねじりや座屈の影響を受けるため、正しい試験を行うことが難しく、曲げ試験しかできない。
【0003】
特開昭62−28637号公報には、供試材に曲げやねじりを加えず、かつ供試材を小径の素材から得られるようにした供試材つかみ具が開示されている。
【0004】
特開2012−149943号公報には、一対のつかみ具によって把持された試験片に対して、引張・圧縮試験及びねじり試験を行う材料試験機が記載されている。この材料試験機は、一対の油圧シリンダが接続されたクロスヘッドを備えている。クロスヘッドには、軸心調整装置やロードセルを介して、試験片の上端を保持する上つかみ具が配置されている。同公報には、一対の油圧シリンダを伸縮させてクロスヘッドを昇降させることにより、試験片に引張・圧縮負荷を加えることが記載されている。
【0005】
特開昭60−228051号公報には、一対の爪の拡縮動に伴ってワークを脱着するつかみ装置が記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0006】
【特許文献1】特開昭62−28637号公報
【特許文献2】特開2012−149943号公報
【特許文献3】特開昭60−228051号公報
【非特許文献】
【0007】
【非特許文献1】G. Sine, "Behavior of Metals Under Complex static and Alternating Stresses", in Metal Fatigue, G. Sine and J. L. Waisman (Eds.), McGraw-Hill, New York, 1959, pp.145-169
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0008】
一般的な軸力疲労試験装置は、試験片の両端部を把持し、一方の端部を油圧シリンダで上下運動させて、軸方向に繰返し負荷を加える。油圧シリンダは、摩擦抵抗を生じないように、シリンダチューブに対してピストンロッドが軸方向のまわりに回転するように設計されている。ピストンロッドが回転すると、試験片にねじり応力が加わる。
【0009】
曲げ疲労試験において、静的なねじり応力が降伏応力以上になると疲労強度が低下することが知られている(G. Sine, "Behavior of Metals Under Complex static and Alternating Stresses", in Metal Fatigue, G. Sine and J. L. Waisman (Eds.), McGraw-Hill, New York, 1959, pp.145-169)。軸力疲労試験においても、試験片に加わる静的なねじり応力を降伏応力よりも小さくする必要がある。
【0010】
丸棒や厚板の試験片を用いた測定では、試験片に十分なねじり剛性があるため、ねじり応力による影響は比較的小さい。しかし、薄板試験片を用いた測定では、板厚の減少に伴うねじり剛性の低下が顕著になる。
【0011】
具体的には、板中央部に発生する最大せん断応力τmaxは、下記の式で表される。
【0012】
【数1】
【0013】
ここで、Mは負荷トルク、bは板幅、hは板厚である。ξは寸法によって変化する係数で、b/hが1〜∞のときに0.208〜0.333の値をとる。このとき、ねじり剛性はξbhで表されhに比例するため、板厚が減少すると剛性が低下する。剛性が低下すると、最大せん断応力が高くなり、試験片がねじり変形によって降伏しやすくなる。
【0014】
特開昭62−28637号公報は供試材つかみ具(チャック)に関するものであり、シリンダ(ピストンロッド)の回転に起因するねじりを防ぐことはできない。
【0015】
特開2012−149943号公報は、引張・圧縮試験に関するものである。同公報には、一対の油圧シリンダを伸縮させてクロスヘッドを昇降させることで、試験片に引張・圧縮応力を加えると記載されている。しかし、疲労試験では均等な応力を加えることが要求されるため、一対の油圧シリンダを用いるこの方法は、疲労試験には適さない。
【0016】
本発明の目的は、試験片にねじり応力が加わるのを抑制して、軸力疲労特性を測定することができる疲労試験装置を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【0017】
本発明の一実施形態による疲労試験装置は、試験片の疲労特性を測定する疲労試験装置であって、軸方向に沿って移動するピストンロッドを含むシリンダと、前記ピストンロッドの端部に固定され、前記試験片を把持するチャックと、前記ピストンロッドの軸方向と平行に延びるガイド軸と、前記ガイド軸と摺動する軸受けと、前記ピストンロッド及び前記チャックの少なくとも一方、並びに前記軸受けに固定された連結部材とを備える。
【発明の効果】
【0018】
本発明によれば、試験片にねじり応力が加わるのを抑制して、軸力疲労特性を測定することができる。
【図面の簡単な説明】
【0019】
図1図1は、本発明の第1の実施形態による疲労試験装置の構成を示す正面図である。
図2図2は、図1の疲労試験装置の構成から、回転抑制治具を抜き出して示す斜視図である。
図3図3は、図1の疲労試験装置のピストンロッド、チャック、連結部材、及び軸受けが移動した状態を示す正面図である。
図4図4は、本発明の第2の実施形態による疲労試験装置の構成を示す正面図である。
図5図5は、面外変形防止治具の構成を示す分解斜視図である。
図6図6は、実施例で作製した試験片の寸法を示す図である。
図7図7は、実施例の疲労試験によって得られたS−N線図である。
【発明を実施するための形態】
【0020】
以下、図面を参照し、本発明の実施の形態を詳しく説明する。図中同一又は相当部分には同一符号を付してその説明は繰り返さない。
【0021】
[第1の実施形態]
図1は、本発明の第1の実施形態による疲労試験装置1の構成を示す正面図である。疲労試験装置1は、シリンダ11、チャック12及び13、ロードセル14、クロスヘッド15、一対の支柱16、並びに回転抑制治具20を備えている。
【0022】
シリンダ11は、シリンダチューブ111及びピストンロッド112を備えている。シリンダ11は、シリンダチューブ111に供給される作動流体によって、ピストンロッド112を軸方向に移動させることができる。シリンダ11は、例えば油圧シリンダである。ピストンロッド112の移動方向は通常、鉛直方向である。
【0023】
チャック12及び13は、試験片Sを把持する。チャック12は、ピストンロッド112に固定されている。ピストンロッド112が移動すると、これに伴ってチャック12も移動する。一方、チャック13は、ロードセル14を介してクロスヘッド15に固定されている。この構成によれば、ピストンロッド112を移動させることで、試験片Sに引張応力又は圧縮応力を加えることができる。また、ロードセル14によって、試験片Sに加わる荷重を測定することができる。
【0024】
チャック12及び13には、任意の機構を用いることができる。軸力疲労試験では、試験片Sの軸方向とピストンロッド112の軸方向とを平行にすることが好ましい。試験片Sが薄板試験片である場合、試験片Sの厚さ方向とピストンロッド112の軸方向とを垂直にすることが好ましい。チャック12及び13は、そのような軸心の調整機構を備えていることが好ましい。チャック12及び13は、例えばコレットチャックであり、より好ましくは油圧式のコレットチャックである。
【0025】
クロスヘッド15は、一対の支柱16に固定されている。クロスヘッド15の位置を変えることで、チャック12とチャック13との距離を調整することができる。この構成によれば、大きさの異なる試験片を測定することができる。
【0026】
回転抑制治具20は、チャック12がピストンロッド112の軸方向のまわりに回転するのを抑制する。図2は、疲労試験装置1の構成から、回転抑制治具20を抜き出して示す斜視図である。回転抑制治具20は、スライドレール21、連結部材22、及び固定部材23を備えている。
【0027】
スライドレール21は、ガイド軸211及び軸受け212を備えている。ガイド軸211は、シリンダ11(図1)のピストンロッド112の軸方向と平行に配置されている。軸受け212は、ガイド軸211と摺動し、ガイド軸211に沿って移動する。軸受け212は、例えばボールベアリングである。
【0028】
連結部材22は、チャック12(図1)及び軸受け212に固定されている。
【0029】
連結部材22は、より具体的には、第1部材221、第2部材222、及び第3部材223を備えている。第2部材222及び第3部材223は、チャック12(図1)を両側から挟むことができるように形成されている。第2部材222及び第3部材223には、両部材を貫通するネジ穴が設けられている。このネジ穴にネジ225を通すことで、第2部材222と第3部材223とが締結されるとともに、両部材が第1部材221に固定される。
【0030】
連結部材22は、第2部材222と第3部材223との隙間の内側でチャック12(図1)が動いたり、滑ったりしないように、チャック12を強固に固定できることが好ましい。そのため例えば、第2部材222及び/又は第3部材223の内周面にキー溝22aを設けて、チャック12との間にキーを配置し、チャック12が連結部材22に対して相対的に回転しないようにしてもよい。
【0031】
連結部材22の他方の端部は、軸受け212に固定されている。この構成によって、連結部材22は、ガイド軸211に沿って軸受け212と一体的に移動する。上述のとおり、連結部材22はチャック12(図1)とも固定されており、チャック12はピストンロッド112(図1)とも固定されている。そのため、軸受け212、連結部材22、チャック12、及びピストンロッド112は、すべて連動して一体的に移動する。
【0032】
固定部材23は、スライドレール21を支柱16(図1)に固定する。固定部材23の一方の端部は、スライドレール21のガイド軸211に固定されている。固定部材23の他方の端部は、支柱16に固定できるように構成されている。具体的には、固定部材23は、第1部材231及び第2部材232を備え、第1部材231及び第2部材232が支柱16を挟むことができるように形成されている。第1部材231と第2部材232とは、ネジ235によって締結され、支柱16に固定される。
【0033】
[疲労試験方法及び疲労試験装置1の効果]
図1を参照して、疲労試験装置1を用いた疲労試験方法を説明する。チャック12及び13によって試験片Sを把持した状態で、シリンダ11のピストンロッド112を所定の振幅及び振動数で往復運動させる。これによって、試験片Sに繰返し負荷が加えられる。疲労試験装置1によれば、所定のサイクル数で試験片Sが破断するかどうかを確認したり、試験片Sが破断するまでのサイクル数を測定したりすることができる。
【0034】
疲労試験装置1は、回転抑制治具20を備えている。回転抑制治具20は、チャック12が回転するのを抑制する。この構成によれば、試験片Sにねじり応力が加わるのを抑制して、軸力疲労特性を測定することができる。
【0035】
回転抑制治具20によってチャック12の回転が抑制される理由は、以下のとおりである。まず、ピストンロッド112が軸方向のまわりに回転しようすると、ピストンロッド112の端部に固定されたチャック12、及びチャック12に固定された連結部材22も、ピストンロッド112の軸方向のまわりに回転しようとする。
【0036】
ピストンロッド112の軸方向は、ガイド軸211の軸方向と平行である。そのため、ピストンロッド112が軸方向のまわりに回転しようとすることで軸受け212に加わる力は、常にガイド軸211の軸方向と垂直である。軸受け212は、ガイド軸211の軸方向と垂直な方向には移動することができない。そのため、連結部材22は回転することができず、連結部材22に固定されたチャック12も回転することができない。これによって、チャック12の回転を抑制することができる。
【0037】
一方、ピストンロッド112が軸方向に沿って移動する際には、図3に示すように、ピストンロッド112、チャック12、連結部材22、及び軸受け212が、すべて連動して一体的に移動する。そのため、ピストンロッド112の軸方向のストロークを確保したまま、チャック12の回転だけを抑制することができる。
【0038】
なお、ピストンロッド112が回転しようとすることで軸受け212に加わる力は、ピストンロッド112とガイド軸211との距離に比例して小さくなる。そのため、軸受け212からガイド軸211に加わるラジアル荷重を小さくすることができる。この構成によれば、軸受け212がガイド軸211に沿って移動する際、ラジアル荷重によってガイド軸211と軸受け212との間の摩擦抵抗が増加するのを抑制することができる。
【0039】
以上、疲労試験装置1の構成、疲労試験装置1を用いた疲労試験方法、及び疲労試験装置1の効果について説明した。本実施形態によれば、試験片Sにねじり応力が加わるのを抑制して、軸力疲労特性を測定することができる。前述のとおり、試験片の厚さが薄くなるほどねじり剛性が低下し、ねじり応力の影響が大きくなる。そのため、本実施形態による疲労試験方法は、薄板試験片の疲労試験に好適に用いることができる。特に、試験片が厚さ3mm以下の板状試験片であって、厚さに対する幅の比率が3以上である場合に好適に用いることができる。
【0040】
上記の実施形態では、連結部材22がチャック12に固定されている場合を説明した。しかし、連結部材22は、ピストンロッド112に固定されていてもよい。チャック12はピストンロッド112に固定されているため、ピストンロッド112の回転を抑制することで、チャック12の回転も抑制することができる。また、連結部材22は、ピストンロッド112及びチャック12の両方に固定されていてもよい。
【0041】
上記の実施形態では、連結部材22が第1部材221、第2部材222、及び第3部材223を備え、第2部材222と第3部材223とがネジ225で締結されることによって、チャック12に固定される構成を説明した。しかし、チャック12及びピストンロッド112の少なくとも一方と、連結部材22とを固定する方法は、これに限定されない。例えば、チャック12及びピストンロッド112の少なくとも一方と連結部材22とは、バネで固定してもよい。また、連結部材22は、単一の部品から構成されていてもよい。
【0042】
上記の実施形態では、連結部材22を板状に図示した。しかし、連結部材22の形状は任意である。連結部材22は、チャック12及びピストンロッド112の少なくとも一方、並びに軸受け212に固定されていればよい。
【0043】
上記の実施形態では、スライドレール21が固定部材23によって支柱16に固定されている構成を説明した。この構成によれば、回転抑制治具20の着脱を容易にできる。しかし、スライドレール21を固定するための構成は限定されない。例えば、スライドレール21をネジなどで直接、疲労試験装置1に固定してもよい。
【0044】
[第2の実施形態]
図4は、本発明の第2の実施形態による疲労試験装置2の構成を示す正面図である。疲労試験装置2は、疲労試験装置1(図1)の構成に加えて、面外変形防止治具30をさらに備えている。
【0045】
図5は、面外変形防止治具30の構成を示す分解斜視図である。面外変形防止治具30は、試験片Sを挟む一対の板状スペーサ31と、一対の板状スペーサ31によって挟まれた試験片Sを挟む一対の板状部材32とを備えている。面外変形防止治具30は、ボルト35及びナット36によって締結される。
【0046】
板状スペーサ31は、固体潤滑材で形成されている。板状スペーサ31は例えば、ポリテトラフルオロエチレン(PTFE)や黒鉛である。
【0047】
板状部材32の材質は特に限定されないが、試験片Sに加わる面圧を均一にするため、板状部材32は、板状スペーサ31よりも剛性の高い部材であることが好ましい。また、平面度が低いとたわむ可能性があるため、板状部材32は、平面度の高い部材であることが好ましい。板状部材32は例えば、アルミニウムやステンレスである。
【0048】
一対の板状部材32が一対の板状スペーサ31によって挟まれた試験片Sを挟む面圧(以下「締結面圧」という。)は、好ましくは10〜25MPaである。締結面圧が高すぎると、板状スペーサ31が摩耗したり破損したりする場合がある。また、締結面圧が低すぎると、試験片Sの面外変形を防止することができない場合がある。締結面圧の上限は、より好ましくは20MPaである。
【0049】
[疲労試験方法及び疲労試験装置2の効果]
疲労試験装置2を用いた疲労試験方法は、疲労試験装置1の場合と同じである。
【0050】
疲労試験装置2は、面外変形防止治具30を備えている。面外変形防止治具30は、試験片Sが座屈するのを防止する。試験片が座屈すると、試験片Sは曲げ変形してしまうため、軸力疲労特性を正しく測定することができない。本実施形態によれば、試験片Sの座屈を防止することができる。
【0051】
疲労試験の際、試験片Sが伸縮し、試験片Sと面外変形防止治具30とが摺動する。このとき、面外変形防止治具30に潤滑性がないと、摩擦によって試験片Sに傷が生じる場合がある。試験片に傷が生じると、その傷を起点に破壊が進行し、軸力疲労特性を正しく測定できない。一方、液状の潤滑材を塗布して試験片Sと面外変形防止治具30との潤滑性を確保しようとすると、潤滑材がチャック12に流れ込んで試験片Sがチャック12から抜けてしまう可能性がある。本実施形態によれば、固体潤滑材で形成された板状スペーサ31を用いることで、試験片Sと面外変形防止治具30との潤滑性を確保することができる。
【0052】
以上、疲労試験装置2の構成及び効果を説明した。試験片Sが薄板で、かつ、疲労試験が引張−圧縮の疲労試験である場合、試験片Sは特に座屈しやすい。そのため、疲労試験装置2を用いた疲労試験方法は、試験片Sが薄板で、かつ、疲労試験が引張−圧縮の疲労試験である場合に、特に好適に用いることができる。本実施形態によれば、試験片が厚さ3mm以下の薄板試験片であって、かつ厚さに対する幅の比率が3以上であっても、引張−圧縮の疲労試験を実施することができる。
【0053】
上記の実施形態では、面外変形防止治具30がボルト35及びナット36によって締結されている場合を説明した。しかし、面外変形防止治具30を締結する手段は任意である。面外変形防止治具30は、例えばバネによって締結される構成としてもよい。
【0054】
上記の実施形態では、試験片Sの一部が露出するように、板状スペーサ31及び板状部材32に切り欠きが設けられているように図示した。これは、疲労試験の際、試験片Sに伸び計を接触させるためのものである。しかし、板状スペーサ31及び板状部材32の形状は任意であり、これに限定されない。
【実施例】
【0055】
以下、実施例に基づいて本発明をより具体的に説明する。なお、この実施例は本発明を限定するものではない。
【0056】
表1に示す化学組成を有する供試材から、厚さ1.2mmの薄板試験片を作製した。この供試材は、DP鋼、3%Si鋼、及び低合金マルテンサイト鋼で、引張強度はそれぞれ570〜700MPa、400MPa、及び1700〜1900MPaである。薄板試験片の形状を図6に示す。図中の寸法の単位はmmである。
【0057】
【表1】
【0058】
作製した試験片を、上述した第2の実施形態に準じた方法によって疲労試験を実施した。試験条件は、引張−圧縮の完全両振り、軸力荷重制御で応力比R=−1、周波数10kHz、正弦波波形とした。なお、面外変形防止治具30の板状スペーサ31として、厚さ約1mmのPTFEのシートを使用した。また、締結面圧は15MPとした。
【0059】
その結果、応力振幅500MPaでも試験片が座屈することなく測定をすることができた。この試験により得られた、DP鋼のS−N線図を図7に示す。比較のため、同じ強度の鋼材から平行部の寸法が幅20mm×厚さ5mmの板状試験片を作製して測定した結果を合わせて示す。図7において、中実のマークは厚さ1.2mmの試験片を本実施形態によって測定したデータであり、白抜きのマークは厚さ5mmの試験片によるデータである。図7に示すように、本実施形態によれば、薄板試験片であっても、厚さ5mmの試験片の場合と同様の測定結果を得られることを確認した。また、破断面形態からも、座屈やフィレッティング疲労することなく疲労破壊していることを確認した。
【0060】
[実施例2]
次に、供試材、試験片の寸法、及び面外変形防止治具の締結面圧を変えて、疲労試験を実施した。試験条件及び試験結果を表2に示す。表2に記載していない条件は実施例1の場合と同じである。
【0061】
【表2】

【0062】
表2に示すように、締結面圧が10MPa以上であれば、試験片の座屈を安定して防止できることがわかった。
【0063】
以上、本発明の実施の形態を説明したが、上述した実施の形態は本発明を実施するための例示に過ぎない。よって、本発明は上述した実施の形態に限定されることなく、その趣旨を逸脱しない範囲内で上述した実施の形態を適宜変形して実施することが可能である。
【符号の説明】
【0064】
1,2 疲労試験装置
11 シリンダ
111 シリンダチューブ
112 ピストンロッド
12,13 チャック
14 ロードセル
15 クロスヘッド
16 支柱
20 回転抑制治具
21 スライドレール
211 ガイド軸
212 軸受け
22 連結部材
23 固定部材
30 面外変形防止治具
31 板状スペーサ
32 板状部材
S 試験片
図1
図2
図3
図4
図5
図6
図7